Vật liệu tấm của bộ trao đổi nhiệt tấm: Phân loại, Chức năng, Ứng dụng môi chất & Nguyên lý hoạt động

Máy trao đổi nhiệt tấm (PHEs) là những con ngựa làm việc chuyển nhiệt trong các ứng dụng công nghiệp, thương mại và dân cư nhờ thiết kế nhỏ gọn, hiệu suất nhiệt cao và linh hoạt.Nhưng đây là sự thật.: hiệu suất, độ bền và tuổi thọ của một PHE tất cả đều giảm xuống một thành phần quan trọng:các tấm chuyển nhiệtVật liệu của các tấm này trực tiếp quyết định cách trao đổi xử lý các phương tiện khác nhau, chống ăn mòn, chịu nhiệt độ / áp suất và cung cấp chuyển nhiệt nhất quán theo thời gian.

Cho dù bạn là một kỹ sư lựa chọn một PHE cho một nhà máy hóa học, một quản lý mua sắm nguồn cung cấp thiết bị cho hệ thống HVAC, hoặc một kỹ thuật viên bảo trì khắc phục sự cố hiệu suất,hiểu các vật liệu tấm là không thể thương lượngTrong hướng dẫn này, chúng tôi chia nhỏ các vật liệu tấm trao đổi nhiệt tấm phổ biến nhất, chức năng chính của chúng, các phương tiện mà chúng phù hợp nhất,và nguyên tắc làm việc cốt lõi liên kết tất cả với nhau tất cả trong một không fluff, phong cách phù hợp với ngành mà dễ tiêu hóa (và tối ưu hóa cho những gì bạn thực sự cần biết).

Đĩa trao đổi nhiệt tấm được chế tạo từ vật liệu được thiết kế để cân bằng ba yếu tố chính: dẫn nhiệt (để chuyển nhiệt hiệu quả), chống ăn mòn (để xử lý môi trường khắc nghiệt),và sức mạnh cơ học (để chịu được áp suất và nhiệt độ hoạt động)Các vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất được chia thành bốn loại chính, mỗi loại có tính chất độc đáo phù hợp với các ứng dụng cụ thể..

Thép không gỉ là xương sống của tấm PHE, chiếm hơn 70% các ứng dụng công nghiệp và thương mại.và hiệu suất nhiệtHai lớp phổ biến nhất cho bảng PHE làAISI 304vàAISI 316LMỗi trường hợp sử dụng khác nhau.

Các biến thể và tính chất chính:

• Thép không gỉ AISI 304: Có chứa 18% crôm và 8% niken, cung cấp khả năng chống ăn mòn cơ bản đối với nước, không khí và môi trường hữu cơ / vô cơ nhẹ.Nó có độ dẫn nhiệt ~ 16 W / (((m · K) và có thể xử lý nhiệt độ lên đến 120 ° C (248 ° F) và áp suất lên đến 1.6 MPa. Nó là lựa chọn cho các ứng dụng chung nơi phương tiện không ăn mòn cao.
• Thép không gỉ AISI 316L: Một phiên bản nâng cấp với 2% molybdenum được thêm vào, tăng khả năng chống ăn mòn đặc biệt là chống lại clorua, axit và nước mặn.nhưng nó xử lý nhiệt độ cao hơn (lên đến 150 ° C / 302 ° F) và áp suất (lên đến 2 ° C)Nó là sự lựa chọn ưu tiên cho môi trường khắc nghiệt hoặc ăn mòn.

Titanium là tiêu chuẩn vàng cho các tấm PHE trong môi trường ăn mòn cực đoan - nghĩ về hóa chất hung hăng, nước muối, hoặc môi trường axit.và hầu như không bị ăn mòn bởi hầu hết các chất khắc nghiệt, làm cho nó lý tưởng cho các ngành công nghiệp mà thất bại thiết bị là tốn kém (hoặc nguy hiểm).

Tính chất chính: Khả năng dẫn nhiệt ~ 17 W / m · K, khả năng chống nhiệt độ lên đến 200 ° C (392 ° F) và khả năng chống áp suất lên đến 3,0 MPa.8 mm) để cân bằng trọng lượng và hiệu quả nhiệt, mặc dù chúng có giá cao hơn thép không gỉ.

Hastelloy là một gia đình siêu hợp kim dựa trên niken được thiết kế cho các điều kiện hóa học và nhiệt độ khắc nghiệt nhất.Nó chống lại một loạt các môi trường ăn mòn, bao gồm axit mạnh (sulfuric, hydrochloric), kiềm và dung môi hữu cơ.

Tính chất chính: Khả năng dẫn nhiệt khác nhau theo lớp (1115 W / (((m · K)), khả năng chống nhiệt độ lên đến 250 ° C (482 ° F) và khả năng chống áp suất lên đến 3,5 MPa.Các lớp phổ biến cho tấm PHE bao gồm Hastelloy C-276 và Hastelloy B-2, mỗi loại được tối ưu hóa cho môi trường hóa học cụ thể (ví dụ: C-276 cho axit oxy hóa, B-2 cho axit giảm).

Đồng và hợp kim đồng (ví dụ: đồng, đồng nickel) là tất cả về hiệu quả nhiệt  chúng có độ dẫn nhiệt cao nhất của tất cả các vật liệu tấm PHE phổ biến.Điều này làm cho chúng lý tưởng cho các ứng dụng nơi chuyển nhiệt nhanh là rất quan trọng, ngay cả khi chúng ít chống ăn mòn hơn thép không gỉ hoặc titan.

Các biến thể và tính chất chính:

• Đồng: Độ dẫn nhiệt ~ 401 W / m · K (cao hơn nhiều so với thép không gỉ), chống nhiệt độ lên đến 100 ° C (212 ° F), áp suất lên đến 1,0 MPa.môi trường không ăn mòn như nước hoặc chất làm lạnh.
• Cupronickel (Cu-Ni): Hợp kim đồng và niken (thường là 70/30 hoặc 90/10), có khả năng chống ăn mòn tốt hơn đồng tinh khiết (đặc biệt là chống lại nước muối).nhiệt độ lên đến 120°C (248°F), áp suất lên đến 1,6 MPa. Thường trong các ứng dụng trên biển hoặc ngoài khơi.

Các tấm truyền nhiệt không chỉ là "các mảnh kim loại" chúng được thiết kế để thực hiện ba chức năng quan trọng làm cho toàn bộ PHE hoạt động.Hiểu các chức năng này giúp bạn chọn đúng vật liệu cho ứng dụng của bạn và khắc phục các vấn đề hiệu suất xuống dòng.

Công việc số 1 của tấm PHE là chuyển nhiệt giữa hai hoặc nhiều môi trường chất lỏng (nhiệt và lạnh) mà không cần chúng trộn lẫn.hoặc phẳng) làm tăng diện tích chuyển nhiệt và tạo ra nhiễu loạn trong dòng chảy chất lỏngĐộ dẫn nhiệt của vật liệu ảnh hưởng trực tiếp đến điều này: độ dẫn nhiệt cao hơn = chuyển nhiệt nhanh hơn, hiệu quả hơn (ví dụ, tấm đồng chuyển nhiệt nhanh hơn 25 lần so với thép không gỉ).

Các tấm hoạt động như một rào cản vật lý giữa môi trường nóng và lạnh, đảm bảo chúng không bao giờ trộn lẫn (cần thiết cho các ứng dụng như chế biến thực phẩm, sản xuất hóa chất hoặc HVAC).Chúng phải chịu được áp suất hoạt động của hệ thống từ HVAC ở nhà ở áp suất thấp (0.5 MPa) đến các quy trình công nghiệp áp suất cao (3.5 MPa). Sức mạnh cơ học của vật liệu (sức mạnh kéo, độ cứng) xác định mức độ chống biến dạng hoặc rò rỉ dưới áp suất.

Trong hầu hết các ứng dụng, tấm PHE tiếp xúc với môi trường gây hấn (ác, kiềm, nước muối hoặc chất lỏng mài mòn).và đeo để tránh thất bại sớmVí dụ, tấm titan chống ăn mòn bằng nước biển, trong khi Hastelloy chống lại axit mạnh chọn vật liệu sai dẫn đến rỉ sét, rò rỉ và thời gian ngừng hoạt động tốn kém.

Sai lầm lớn nhất mà bạn có thể làm khi chọn tấm PHE là chọn một vật liệu không tương thích với phương tiện xử lý của bạn.Chúng tôi đã phân chia các loại phương tiện phổ biến nhất và các vật liệu tấm nào phù hợp nhất với mỗi loại, thẳng thắn, và có thể thực hiện.

Nước (nước vòi, nước xử lý hoặc nước làm mát) và dung dịch nước (ví dụ: glycol, chất tẩy rửa nhẹ) là môi trường được sử dụng rộng rãi nhất trong PHEs.Vì vậy, thép không gỉ là lựa chọn.

• Các tài liệu được đề xuất: AISI 304 (sử dụng nước chung), AISI 316L (nước cứng, nước có clor hoặc dung dịch nước nhẹ).
• Ứng dụng: HVAC làm mát / sưởi ấm, hệ thống nước nóng dân cư, làm mát quy trình công nghiệp nhẹ.

Các quá trình hóa học thường liên quan đến môi trường hung hăng có thể ăn mòn thép không gỉ. Vật liệu phù hợp phụ thuộc vào loại hóa chất (chất oxy hóa so với giảm) và nồng độ.

• Axit oxy hóa (axit sulfuric, axit nitric): vật liệu khuyến nghị = Hastelloy C-276 hoặc Titanium. Những vật liệu này chống oxy hóa và tấn công axit.
• Các axit làm giảm (acid hydrochloric, axit phosphoric): Đề nghị vật liệu = Hastelloy B-2 hoặc Titanium. Tránh thép không gỉ vì các axit này sẽ ăn mòn nó nhanh chóng.
• Chất kiềm (Natrium Hydroxide, Kalium Hydroxide): Vật liệu được khuyến cáo = AISI 316L (nồng độ thấp) hoặc Hastelloy C-276 (nồng độ cao).
• Các dung môi hữu cơ (Ethanol, Acetone): vật liệu được khuyến cáo = AISI 316L hoặc Hastelloy (đối với các dung môi hung hăng).

Nước muối (nước biển, nước muối) có khả năng ăn mòn cao do hàm lượng clo cao của nó. thép không gỉ (ngay cả 316L) có thể bị ăn mòn trong nước muối,Vì vậy, các vật liệu chuyên biệt là cần thiết.

• Các tài liệu được đề xuất: Titanium (tốt nhất cho việc sử dụng lâu dài), Cupronickel (thay đổi hiệu quả về chi phí cho các ứng dụng áp suất thấp).
• Ứng dụng: HVAC biển, các quy trình dầu khí ngoài khơi, nhà máy khử muối.

Các ứng dụng thực phẩm và đồ uống đòi hỏi các vật liệu có chất lượng thực phẩm (tương thích với FDA), dễ làm sạch và chống môi trường hữu cơ (sữa, nước trái cây, bia, xi-rô).

• Các tài liệu được đề xuất: AISI 316L (thường nhất) chất lượng thực phẩm, chống ăn mòn với axit hữu cơ), Titanium (đối với đồ uống axit như nước trái cây cam).
• Yêu cầu chính: bề mặt tấm mịn (Ra ≤ 0, 8μm) để ngăn ngừa sự phát triển của vi khuẩn và đảm bảo dễ dàng làm sạch (cần thiết để tuân thủ FDA).

Các chất làm mát (R22, R410A, R134a) và chất lỏng lạnh (nitơ lỏng, oxy lỏng) đòi hỏi các vật liệu có thể xử lý nhiệt độ thấp và chống lại các vấn đề tương thích chất làm lạnh.

• Các chất làm lạnh: vật liệu được khuyến cáo = AISI 316L (hợp tác với hầu hết các chất làm mát) hoặc đồng (sự dẫn nhiệt cao cho làm mát nhanh).
• Phương tiện lạnh: Vật liệu được khuyến nghị = Titanium (chống nhiệt độ thấp xuống -196 ° C / -321 ° F) hoặc Hastelloy (đối với hóa chất lạnh).

Dầu, chất bôi trơn và các sản phẩm dầu thường không ăn mòn nhưng có thể có độ nhớt hoặc chứa các hạt mài mòn.

• Các tài liệu được đề xuất: AISI 316L (các ứng dụng dầu chung), Hastelloy (đối với các dẫn xuất dầu thô khắc nghiệt như dầu thô hoặc dầu diesel).
• Yêu cầu chính: Sức mạnh cơ học cao để chống lại sự mòn từ các hạt mài trong dầu.

Để thực sự hiểu lý do tại sao vật liệu tấm quan trọng, bạn cần nắm bắt nguyên tắc hoạt động cốt lõi của một PHE và làm thế nào các tấm cho phép chuyển nhiệt hiệu quả.Và chúng ta sẽ giải thích nó mà không sử dụng thuật ngữ quá kỹ thuật..

Máy trao đổi nhiệt tấm bao gồm một ngăn xếp các tấm chuyển nhiệt lốp sóng, được kẹp với nhau bằng các miếng dán (đối với các PHE có miếng dán) hoặc được hàn (đối với các PHE được hàn).Hai môi trường chất lỏng (nên nóng và lạnh) chảy qua các kênh xen kẽ giữa các tấmNhiệt được chuyển từ chất lỏng nóng sang chất lỏng lạnh thông qua vật liệu tấm mỏng, mà không có hai chất lỏng trộn lẫn.

Vật liệu tấm là "cầu" để chuyển nhiệt, tính chất của nó trực tiếp ảnh hưởng đến hiệu quả của cây cầu này:

1. Khả năng dẫn nhiệt: Vật liệu có độ dẫn nhiệt cao (ví dụ: đồng) chuyển nhiệt nhanh hơn, có nghĩa là PHE có thể nhỏ hơn (ít hơn các tấm) trong khi duy trì cùng một công suất chuyển nhiệt.Vật liệu dẫn điện thấp hơn (e(ví dụ, Hastelloy) đòi hỏi nhiều tấm hơn hoặc diện tích bề mặt lớn hơn để đạt được hiệu quả tương tự.
2. Độ dày tấm: Các tấm mỏng hơn cải thiện chuyển nhiệt (ít vật liệu để dẫn nhiệt), nhưng vật liệu phải đủ mạnh để chịu áp suất hoạt động.Titanium và thép không gỉ có thể được làm mỏng (0.5 ≈ 1.0 mm) trong khi duy trì sức mạnh, làm cho chúng lý tưởng cho PHEs hiệu quả cao.
3. Chống ăn mòn: Nếu vật liệu tấm ăn mòn, nó phát triển một lớp rỉ sét hoặc oxit hoạt động như một chất cách nhiệt làm chậm chuyển nhiệt và cuối cùng dẫn đến rò rỉ..g., titan cho nước mặn) đảm bảo bề mặt tấm vẫn sạch sẽ và hiệu quả theo thời gian.
4. Thiết kế dòng chảy: Mặc dù không phải là một tính chất vật liệu, mô hình lồi (herringbone, chevron) hoạt động với vật liệu để tạo ra nhiễu loạn.Dòng chảy hỗn loạn phá vỡ lớp ranh giới (một lớp chất lỏng mỏng chống lại chuyển nhiệt) và tăng hiệu quả chuyển nhiệtSức mạnh của vật liệu quyết định độ mạnh của sóng (ví dụ, Hastelloy có thể xử lý sóng sâu hơn để có nhiều nhiễu loạn hơn).

Bây giờ bạn đã hiểu nguyên tắc hoạt động, đây là cách vật liệu tấm ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể của PHE quan trọng để chọn vật liệu phù hợp cho ứng dụng của bạn:

• Hiệu quả chuyển nhiệt: Động bởi tính dẫn nhiệt và độ dày tấm.
• Tuổi thọ: Động lực bởi sự ăn mòn và chống mòn. Vật liệu đúng sẽ tồn tại trong 10-15 năm; vật liệu sai có thể bị hỏng trong 1-2 năm.
• Chi phí vận hành: Mặc dù các vật liệu cao cấp (titanium, Hastelloy) có chi phí ban đầu cao hơn, nhưng chúng làm giảm chi phí bảo trì, thay thế và thời gian ngừng hoạt động theo thời gian.Các vật liệu rẻ hơn (AISI 304) có thể tiết kiệm tiền trước nhưng tốn kém hơn trong thời gian dài nếu chúng ăn mòn.
• An toàn: Trong các ngành công nghiệp như hóa học hoặc hạt nhân, sự cố vật liệu có thể dẫn đến rò rỉ nguy hiểm.

Để làm cho quá trình lựa chọn của bạn dễ dàng hơn, dưới đây là một trang phím nhanh để lựa chọn vật liệu đĩa dựa trên phương tiện và ứng dụng của bạn:

Vật liệu tấm là anh hùng không được biết đến của bất kỳ bộ trao đổi nhiệt tấm nào, tính chất của nó trực tiếp quyết định hiệu suất của PHE, thời gian nó tồn tại và chi phí vận hành bao nhiêu.Bằng cách hiểu phân loại các vật liệu tấm, các chức năng cốt lõi của chúng, các phương tiện truyền thông mà chúng tương thích, và cách chúng kết nối với nguyên tắc hoạt động của PHE,bạn có thể đưa ra quyết định sáng suốt để tránh những sai lầm tốn kém và đảm bảo PHE của bạn cung cấp, chuyển nhiệt hiệu quả trong nhiều năm tới.

Cho dù bạn đang lựa chọn một PHE cho một hệ thống HVAC nhỏ hoặc một nhà máy hóa chất công nghiệp lớn, hãy nhớ: không có vật liệu đĩa "một kích thước phù hợp với tất cả".điều kiện hoạt động (nhiệt độ, áp lực), và mục tiêu dài hạn và bạn sẽ có một PHE làm việc chăm chỉ như doanh nghiệp của bạn.